全新2D材料转化Wi-Fi信号为手机充电

全新2D材料转化Wi-Fi信号为手机充电。

无线充电出现在19世纪初，当时的技术大多只是在两个电路、发射机和接收机之间建立磁场，进而传输电能。百年内，除了类似电动牙刷的应用外，这项技术并没有太大的发展。目前，大多数的无线充电技术主要集中在智能电话、电脑、智能厨房和汽车等一系列设备的应用中。试想一下， 当我们手边的智能电话、笔记本电脑、可穿戴设备以及其他电子设备不再需要电池充电，将会是多么便捷的生活。

近日，麻省理工学院的一项发明使这一目标又向前迈近了一步，这是第一个能够将Wi-Fi信号中的能量转化为电能的完全柔性设备，是将交流电磁波转化为“整流天线”直流电的设备。这一研究成果发布在最新一期的《自然》杂志上。

技术原理

这里的整流天线采用了柔性射频（RF）天线，以交流变化的波形捕获电磁波。进而，天线被接入仅有几个原子厚的2D半导体制成的新设备中。交流信号输入半导体中，被半导体转化为直流电压，而直流电压可用于电源电路供电或为电池充电。

通过这种方式，无电池设备被动地捕获和转化无处不在的Wi-Fi信号，并将它们转换成为有用的直流电。 除此之外，柔性设备可以通过“卷式”制备过程覆盖更大的射频范围。如果我们能在桥上、整个高速公路亦或是办公室墙上覆盖这种电子系统是否能够为我们周围的一切电子设备传输电子信号呢？麻省理工的这项研究正是为未来的电力系统提供了一次全新的充电方式。“通过收获Wi-Fi能量，在大部分区域都可以轻松整合电能，为我们身边的智能设备提供动力。”麻省理工微系统技术实验室石墨烯设备与2D系统负责人Tomás Palacios教授说到。

应用范围

整流天线的早期应用包括为可折叠、可穿戴的电子设备、医疗器械以及物联网的感应装置充电，比如最近大热的可折叠智能电话，这是目前全球科技巨头纷纷抢占的市场。实验中，当研究人员的设备接入普通的Wi-Fi信号时，能够产生40微瓦的能量，这些电能足够点亮一盏LED灯或是驱动芯片。

除了可以利用Wi-Fi之外，研究人员表示我们身边的4G、蓝牙等射频信号都可以加以利用，转化为电能。这一研究的主要负责人麻省理工学院教授Tomás Palacios称，这一技术突破为今后从环境中收集能源奠定了基础，他认为，“当你拥有这样的能量收集设备时，一周7天，可以每天都在收集能量，储备起来为日后使用。”据研究人员介绍，这一技术可能在5-7年内进入实际应用。

而这项技术的另一种应用是为植入式医疗设备的信息交流提供电能，论文的合作作者马德里科技大学的研究人员Jesús Grajal表示：“研究人员正在研制一种特制药丸，当患者吞下后，身体的健康信息就可以同时传回电脑用于诊断治疗。在理想状态下，人们不会想到用电池运行驱动这些系统，因为一旦锂电池泄漏 患者的生命将会受到威胁。”他认为最好的方法就是从外界环境获取电能驱动这些体内的装置，并且与外部的电脑互通信息。

所有的整流天线都要依赖于一个关键部件——整流器，它将交流电输入信号转化为直流电，并且使用硅或砷化镓的太阳电池能够覆盖大部分的Wi-Fi 信号波段。可是，当这些材料制成小型设备也许并不昂贵， 可是当这些材料应用到大型建筑或墙面时，其成本就会大幅度增加。

研究人员正在努力解决这个问题。不过目前市场上的一些柔性整流天线还处于低频段位运转，无法捕获和转换千兆赫下的电子信号，而大部分的手机和Wi-Fi信号都处在这一频率中。

为建成整流器，MIT的研究人员运用了一种称为二硫化钼(MoS2)的新型2D材料，它仅有3个原子厚是目前世界上最薄的半导体之一。研究团队利用二硫化钼单一的特性，当连入特定化学成分时，材料的原子就会像交换机一样重新排列，使半导体内相变向金属材料转化，最后所得的结构是一种半导体与金属结合的肖特基二极管。

从外观来看，这一柔性设备与石墨烯的薄度相似，在二硫化钼中，两层硫原子把一层钼原子像“三明治”一样夹在中间。二硫化钼的电子迁移速率大约是100cm2/vs（即每平方厘米每伏秒通过100个电子），远低于晶体硅的电子迁移速率1400 cm2/vs，但是比非晶硅和其他超薄半导体的迁移速度更快。另外，二硫化钼还具有储量丰富、价格低廉、制作容易、无毒性等特点，所以许多科学家都认为二硫化钼的应用前景十分广阔。

寄生电容

对于将二硫化钼材料融入2D半导体金属变相中，论文第一作者Xu zhang表示：“我们建立了一个原子级薄的超快肖特基二极管， 能够最小化串联电阻和寄生电容。寄生电容是电路中一个无法避免的情况，当特定材料储备一个小电荷时，自然就会降低电路的速度。因此，越低的电容就意味着增强的整流器速度和更高的运作频率。肖特基二极管的寄生电容是数量级小于最先进柔性整流器的设备，所以它具备极快的信号转化能力，并且能够获取和转化1万兆赫的无线信号。”如此设计使得柔性设备能够快速覆盖大部分我们日常所用电子设备的射频波段，包括Wi-Fi 蓝牙、移动电话等。

这份论文也为其他柔性Wi-Fi连接的电子设备提供了设计蓝图，明确了输出功率和效能。对于目前的射频波段，其最大输出效率约为40%。对于普通的Wi-Fi电能，二硫化钼整流器的效率在30%左右。目前成本较高的硅或砷化镓整流天线的效能可以达到50%-60%。

哈佛大学应用物理学教授Philip Kim表示：“我非常惊讶于这一科技创新，首次开发出柔性原子级薄半导体整流天线用以收集电能。他们的研究集中在2D材料方面，是利用生活中交流电的盈余能量为周围的电子设备充电。” 此次论文中的15篇文章是由马德里科技大学、麻省理工大学、 陆军研究实验室以及波士顿大学等多所研究机构的作者共同完成的。目前，研究团队正在计划建立更加复杂的系统并提升运行效率，由马德里科技大学与麻省理工国际科技计划、空军科学研究办公室等机构联合执行。

编译自《麻省理工科技评论》

（责任编辑 姜懿翀）